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Seoul National University’s Research Team Lead by Professor Changhee Lee Succeed in Developing High Output QLED Emitting True Ultraviolet Light

South Korean research team lead by Professor Changhee Lee in Seoul University succeeded in making first quantum dots that emit ultraviolet light and used them to produce a flexible, light-emitting diode.

UV light is usually produced by mercury lamps or LEDs made from inorganic materials such as gallium nitride (GaN). However, mercury lamps tend to emit a wide range of visible wavelengths as well as UV, and high-performance gallium nitride LEDs are expensive to make. According to Professor Lee, quantum dots are an attractive alternative which can be made using potentially less expensive solution-based processes.

Quantum dots, made out of a semiconductor material, emits different wavelengths depending on the size and shapes. The smaller the crystal, the shorter the wavelength of the light it emits. The Professor Lee’s team is the first in succeeding in making quantum dots that emit wavelengths shorter than about 400 nm, the high end of the UV spectrum.

In order to produce UV nanocrystals, the team had to figure out how to make quantum dots with light-emitting cores smaller than 3 nm in diameter. To make these, the team utilized cadmium zinc sulfide, which emits high-frequency light, zinc sulfide shell. The quantum dots produced through this method emit true UV radiation at about 377 nm. Professor Lee explained that they “can go to much shorter wavelengths than people generally expected from quantum dots”.

The research group then made a flexible LED with the quantum dots, using a design for a high-efficiency device they developed in 2012. Professor Lee’s team showed that the UV LED could illuminate an anticounterfeiting mark in a bill of paper currency. Franky So, a materials scientist at the University of Florida, says making a device out of the quantum dots that shines brightly enough to reveal the currency mark is a remarkable accomplishment. If their lifetimes can be improved, these potentially low-cost UV LEDs could find uses in counterfeit currency detection, water sterilization, and industrial applications.

The research team headed by Professor Lee includes Seoul National University, Professor Seonghoon Lee and Professor Koonheon Char, and Dong-a University’s Professor Jeonghun Kwak. The research was published in Nano Letters (Nano Lett. 2015, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b00392), a monthly peer-reviewed scientific journal, and reported on Chemistry & Engineering (27 May), published by the American Chemical Society.11

서울대 이창희 교수팀, 세계 최초 순수한 자외선을 발광하는 고출력 QLED 개발 성공

서울대 이창희 교수팀은 서울대 화학생물공학부 차국헌 교수와 화학부 이성훈교수, 동아대학교 전자공학과 곽정훈 교수와의 공동연구를 통해 세계 최초로 양자점을 이용하여 순수한 자외선을 발광하는 고출력 양자점 발광 다이오드 개발에 성공 하였다.

UV light는 보통 mercury lamp나 갈륨질소 화합물과 같은 무기물로 만들어진 LED를 이용하여 제작되었다. 그러나 mercury lamp는 UV 이외에 넓은 범위의 가시광 파장까지 방출하며, 갈륨질소로 제작된 LED는 제조가격이 높다. 서울대 이창희 교수는 “Quantum dot LED(QLED)는 저비용의 solution process를 적용하여 제작할 수 있어 매력적인 대안이 될 수 있다.”라고 밝혔다.

반도체 재료로 만들어지는 quantum dot은 크기와 모양에 따라 다른 파장을 방출하며, crystal의 크기가 작을수록 빛을 내는 파장은 더 짧아진다. 이교수 팀은 세계 최초로 RGB 가시광선 영역을 넘어서 자외선 영역까지 발광하며, 400nm 보다 짧은 파장의 quantum dot 개발에 성공하였다.

이 교수팀은 UV nanocrystal을 제작하기 위해 고효율의 빛과 zinc sulfide shell을 가진 cadmium zinc sulfide를 활용하여 지름이 3nm보다 작은 light-emitting core를 가지고 377 nm의 true UV 방사선을 방출하는 quantum dot을 만들었다. 이창희 교수는 “우리는 사람들이 quantum dot에 일반적으로 기대하는 파장보다 훨씬 더 짧게 만들 수 있다”고 말했다.

이교수 팀은 2012년에 고효율의 구조와 quantum dot을 적용한 flexible LED를 개발한 바 있으며, UV LED가 화폐의 위조방지 마크를 비출 수 있다는 것을 보여준 바 있으며, 플로리다 대학의 Franky So는 quantum dot으로 위조지폐를 감별할 수 있을 정도로 밝게 빛나는 소자를 제작하는 것은 괄목할 만한 성과라고 밝힌 바 있다. Quantum dot의 수명이 입증될 수 있다면 위조 지폐 감지와 산업 응용분야에 쓰일 수 있는 낮은 가격대의 UV-LED로 사용 될 수 있을 것으로 전망된다.

이 연구 성과는 저명 나노과학 학술지인 Nano Letters (Nano Lett. 2015, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b00392)에 게재되었으며, 미국 화학회에서 발행하는 Chemistry & Engineering News 5월27일자에 최신 뉴스로 보도되었다.

Quantum dot으로 만들어진 LED는 위조방지 마크를 드러내는데 충분한 자외선을 방출한다. 위조 방지 마크는 일반 실내 조명에서는 보이지 않는다.  Credit : Nano Letter

Quantum dot으로 만들어진 LED는 위조방지 마크를 드러내는데 충분한 UV을 방출한다. 위조 방지 마크는 일반 실내 조명에서는 보이지 않는다. Credit : Nano Letter